臧 淵，齊亨通，周 潔*

（1.江蘇大學(xué)無錫機電學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無刷電機以其穩(wěn)定性高、調(diào)速性能好等優(yōu)勢，迅速在多旋翼無人機領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1]。無人機領(lǐng)域的崛起使得遙控航模市場的定制化需求、多種類的配套產(chǎn)品層出不窮。

外轉(zhuǎn)子無刷電機常用于航模驅(qū)動，外轉(zhuǎn)子的設(shè)計可以縮減電機尺寸，滿足無人機的輕量化需求，較大的磁通量使得電機帶負載能力強[2]，適用于無人機高速飛行場合。然而隨著功率密度的提高，電機振動的問題日益顯現(xiàn)。電機振動可由機械、電磁等因素引起，轉(zhuǎn)子和軸承的不平衡會產(chǎn)生機械振動[3]，電磁振動則主要由徑向電磁力波導(dǎo)致[4]。外轉(zhuǎn)子無刷電機多采用精密軸承，優(yōu)良的動態(tài)平衡性能使得機械振動量較小。因此，如何削減低階徑向激振力波，進而改善電機運行時產(chǎn)生的振動，成為了工程學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

文獻[5]使用線性模型仿真永磁同步電機的工作環(huán)境，定量分析得出機械振動和噪聲振動，以減緩電機振動和減少噪聲為目標設(shè)計一種的電機結(jié)構(gòu)改善方案；為改善無刷電機的運行性能，文獻[6]提出一種雙圈磁鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外雙圈的結(jié)構(gòu)形成新的磁路，增加徑向氣隙磁密，從而提升力矩輸出性能的設(shè)計方案；文獻[7]作者通過切削電機底座材料、調(diào)整重心分布的方法，優(yōu)化定子的電磁方案，以滿足工程實踐中改善電機振動的需求。

通過上述研究結(jié)論，本文設(shè)計一種基于多旋翼無人機的無刷電機固定結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的電機底座結(jié)構(gòu)改進為一體化設(shè)計，大幅削減無人機飛行時機身的振動幅度，有效提高無人機的隱身性能，在多旋翼、穿越機和特種飛行設(shè)備的性能提高具有廣闊應(yīng)用前景。

1 電機振動分析

1.1 機械振動導(dǎo)致固定弱化

傳統(tǒng)的多旋翼固定底座在電機運行時容易產(chǎn)生大量噪聲，且螺栓緊固程度的差異會導(dǎo)致電機產(chǎn)生偏心力，加劇無刷電機與固定底座之間的磨損。需對固定底座做大量減振處理，即使能夠通過無人機飛行控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，也無法滿足高強度的飛行作業(yè)要求。無刷電機高速運動時定子會產(chǎn)生機械振動，振動波傳導(dǎo)至電機底座釋放大量的機械能。

現(xiàn)有的電機固定底座方案多為四枚螺栓環(huán)繞底板圓周、對稱分布的緊固結(jié)構(gòu)，如圖1所示，原有結(jié)構(gòu)裝配繁瑣，且多次拆裝會弱化緊固效果。固定底座承載電機運行時產(chǎn)生的諸多外力，其結(jié)構(gòu)對多旋翼的飛行性能具有巨大影響，若電機固定底座安裝不當，超負荷運行，振動頻繁，使得定子銷釘松動后發(fā)生傾斜，定轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生軸心偏移，帶動電機底板和機翼出現(xiàn)摩擦，鋼材在反復(fù)交變荷載作用下，應(yīng)力遠低于極限強度[8]，產(chǎn)生金屬疲勞。

圖1 四螺栓固定底座方案

航模電機常需工作在25 000 r/min以上的工作環(huán)境。螺栓松動會影響電機的平衡性，長此以往，電機與機身產(chǎn)生高頻振動，如果機翼出現(xiàn)瑕疵或者凹痕，無人機的機身強度和運行穩(wěn)定性都會大幅降低，導(dǎo)致飛行事故和無人機損毀。

對于目前普遍采用的電機固定底座方案，其四枚螺栓的固定承載大量力矩，松開螺栓接頭需要力矩M，其是一種與螺母、螺桿、螺紋扭矩均有密切聯(lián)系的組合量[8]，其公式為

當螺紋扭矩MTP大于保持力矩MK+MG時，力矩M為負值，螺栓就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)自松。實際上，螺栓同樣會受到振動波的影響，導(dǎo)致受力漂移和預(yù)載的自發(fā)降低。

1.2 電磁振動

隨著功率密度的增大和弱剛性材料在電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用，電磁振動也成為了微型電機需要考慮的問題。若線圈繞組提供三相正弦波交流電信號，磁場諧波產(chǎn)生的電磁力相互作用，在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較強的電磁振動[3]，振動頻率近似與2倍電源工頻（100 Hz）[4]重合產(chǎn)生大量噪聲，振動傳導(dǎo)至機座和機翼，對無人機的飛行造成干擾。

無刷電機在理想狀態(tài)下的氣隙磁密為

式中：λ（θ，t）為氣隙磁導(dǎo)；f（θ，t）為磁動勢。

選取定子開槽、外轉(zhuǎn)子光滑的無刷電機進行分析，此時氣隙磁導(dǎo)公式[9]可列寫為

式中：∧0為恒定系數(shù)；λk1為轉(zhuǎn)子光滑、定子開槽時的諧波磁導(dǎo)。

由麥克斯韋公式可知，磁場氣隙中產(chǎn)生的徑向電磁力[9]為

式中：pn（θ，t）為徑向力波；b（θ，t）為氣隙磁密；μ0為空氣磁導(dǎo)率。

可知低階徑向激振力波與電機低階固有頻率產(chǎn)生大幅度電磁共振，由氣隙磁場諧波產(chǎn)生的電磁力波相互作用，這是電磁振動的理論來源[3]。

2 多旋翼新型固定底座設(shè)計

為解決機械振動等問題，提供以一體化工藝成型的新型電機固定結(jié)構(gòu)，螺栓貫穿定子的軸心，在電機和底座之間填充彈性材料，可有效減少電機與底座之間的振動加速度、減小噪聲輻射，提高飛行控制下系統(tǒng)的工作效率，適用于多種型號電機的快速安裝、拆卸和調(diào)試需求，并解決傳統(tǒng)底座安裝偏差產(chǎn)生的振動等問題。

2.1 定子及線圈繞組設(shè)計

定子鐵心采用矽鋼沖壓設(shè)計，矽鋼組成的定子鐵心是電機磁路的重要組成部分，可提供效率更高的主磁場，減少渦流和磁滯損耗，可適用于目前無人機領(lǐng)域的多種外轉(zhuǎn)子電機型號。軛部安裝在定子支撐上以減少電磁振動帶來的干擾。與外轉(zhuǎn)子電機配套，系統(tǒng)形成包括定子鐵心在內(nèi)，以絕緣槽和軸承組成的裝配體，絕緣槽從定子的軛部向外拓展，環(huán)繞四周支撐起鐵心的齒部，定子鐵心的齒部均勻固定于軛部外圈，線圈繞制于絕緣槽表面，制成后將外轉(zhuǎn)子套裝在定子外部，如圖2所示。

圖2 外轉(zhuǎn)子無刷電機新型固定結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計使輪轂電機繞組端部的高度變小，電機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低無刷電子定子鐵心的重心分布。采用本設(shè)計的外轉(zhuǎn)子型輪轂電機具有重量更輕、體積更小和生產(chǎn)效率提升等優(yōu)勢，為高速電機的工藝參數(shù)提升和批量化生產(chǎn)提供便利，適用于對電機體積和重量有嚴格要求的無人機、吹風(fēng)機和工業(yè)AGV小車等領(lǐng)域。

2.2 加強機座與固定結(jié)構(gòu)

考慮外轉(zhuǎn)子無刷電機的結(jié)構(gòu)，本設(shè)計采用同軸結(jié)構(gòu)一體化加工成形構(gòu)成軸承和機架的支撐結(jié)構(gòu)，與自緊螺母配合。如圖3所示，機座設(shè)計有主體和固定銷2部分，機座主體貫穿碳纖維或其他材料的底板的兩側(cè)，下部安裝有固定銷，3支固定銷呈120°分布貫入底板；自緊螺母將電機底座與多旋翼機身相互嚙合，加強結(jié)構(gòu)強度。

圖3 機座與固定底座設(shè)計

通過調(diào)整電機尺寸參數(shù)，調(diào)整低階固有振動頻率，規(guī)避主要激振力波，有效抑制諧振。微型電機結(jié)構(gòu)緊湊加工，提升頻率需增加剛性材料，不同種類金屬焊接會降低結(jié)構(gòu)強度，干擾定子繞組的絕緣，方案實施難度較大，不利于多旋翼無人機的減重需求和精準控制需求。目前已有利用切削工藝減低固有頻率，去除機座頂部金屬材料、調(diào)整機座結(jié)構(gòu)以改變電機重心達到減振效果[7]。CNC鏜銑床控制精度高，且對定子繞組的絕緣特性不會造成損害，加工簡單適合大批量生產(chǎn)。

多旋翼微型電機的尺寸較小，采用單純增加或去除材料的方法都會對電機的運行特性造成較大影響。不妨設(shè)計一種單組螺栓的固定裝置，相較于四螺栓固定底座，單組螺栓的設(shè)計便于固定結(jié)構(gòu)的整體拆裝，也可有效避免由裝配不齊整造成的電機運轉(zhuǎn)偏心和共振的產(chǎn)生，提升無刷電機的高速運行穩(wěn)定度。

固定裝置中，機座采用7000系鋁合金一體加工成型，在兼顧減重和安全的同時支撐起定子鐵心；機座與轉(zhuǎn)子間采用雙軸承設(shè)計，使用高阻尼低噪聲的滑動軸承，提升電機的動平衡性能和主磁場穩(wěn)定；固定銷與底板的裝配采用軟性材料填充，吸收冗雜機械能，有效抑制機械振動和噪聲。

當外轉(zhuǎn)子螺桿嵌入定子底部時，與機座同軸的自緊螺母與螺桿嚙合，無刷電機的底板裝配完成，單組螺栓收斂機械能的橫向傳導(dǎo)路徑，傳動機構(gòu)的減少更有利于固定裝置機械性能的改善，減少振動對機身的磨損，增強無人機飛行時的水平穩(wěn)定性，對提升多旋翼無人機的巡航條件起到重要的作用。

3 實驗結(jié)果與分析

試驗樣機選用T-Motor公司生產(chǎn)的2207 V2.0無刷電機，扁平Φ28.1 mm，帶霍爾傳感器；查閱相關(guān)使用手冊，選用T5143型螺旋槳與無刷電機裝配，原裝結(jié)構(gòu)的電機運行參數(shù)見表1。

表1 原裝電機飛行實驗參數(shù)

將該型號的電機定子換裝新型減振固定底座，外轉(zhuǎn)子殼體保持原裝，將改裝新型減振結(jié)構(gòu)的電機裝配在同種型號的無人機機身，保持實驗環(huán)境變量恒定，通過PID控制器驅(qū)動電機做模擬放飛實驗，如圖4所示調(diào)試信號形成閉環(huán)控制；通過傳感器將改裝前后的運行參數(shù)做實時采集，傳輸至上位機進行分析。

圖4 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析可知，換裝減振結(jié)構(gòu)的電機在拉力、提速時間、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等指標無明顯變化。通過控制器調(diào)節(jié)PID參數(shù)，對原裝和改裝電機分別從油門點50%到100%進行測試，2款電機的功率數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖5所示，同級轉(zhuǎn)速輸出時，換裝減振加固結(jié)構(gòu)的電機功耗降低，當達到穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速26 700 r/min時，原裝電機功率為496.24 W，改裝電機功率為482.87 W，功耗優(yōu)化可達2.69%。模擬放飛實驗結(jié)果表明，通過定子結(jié)構(gòu)改進，電機的電磁方案得到有效改善，電機高速運行時氣隙磁場產(chǎn)生的徑向電磁力波減少，電機具有低功耗起動特性，有利于無人機續(xù)航時間的提升。

圖5 功耗優(yōu)化對比圖

電機運行功耗的降低可有效緩解電磁振動現(xiàn)象。無人機空載時，通過飛控系統(tǒng)給電機發(fā)送100%供電指令，當轉(zhuǎn)速升至恒定，通過位移傳感器實時采集數(shù)據(jù)。隨著轉(zhuǎn)速升高，機械振動量大幅增加，原裝固定機構(gòu)在100%供電時，定子和軸承產(chǎn)生的機械振動通過機座傳導(dǎo)至機身，多旋翼無人機的橫向最大振幅約為1.26 mm；換裝減振結(jié)構(gòu)的電機進一步減少機械振動，數(shù)據(jù)顯示無人機最大振幅為0.93 mm，換裝該種減振固定底座的多旋翼無人機橫向振動量削弱26.19%，達到削弱機械振動的目標，可以預(yù)見電機的運行穩(wěn)定度將有效提高。

4 結(jié)論

電機振動受多重因素影響，當無人機所處運行大氣條件穩(wěn)定時，工程實踐往往還需要考慮電磁振動和機械振動帶來的影響[10]。模擬實驗的結(jié)果表明，通過調(diào)整無刷電機的定子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化齒軛參數(shù)比，可以減少氣隙磁場產(chǎn)生的電磁振動，并降低無人機的飛行功耗；另一方面，通過優(yōu)化機座加工工藝和材料選型，也能降低機械振動的傳導(dǎo)，有效緩解無人機的電機振動情況，有利于高性能、特種裝備領(lǐng)域無人機的開發(fā)，提升微型無人機的動態(tài)性能。在電機領(lǐng)域的研究中，電磁振動的成因較為復(fù)雜，隨著電機功率密度提升、柔性材料廣泛運用，定子和機座等結(jié)構(gòu)的工藝改善可以調(diào)整電機固有頻率，削弱電磁振動；減少傳動機構(gòu)數(shù)量以緩沖機械振動，采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升無人機飛行的穩(wěn)定與可操控性能。本文通過介紹一種電機減振固定結(jié)構(gòu)，基本實現(xiàn)對多旋翼無人機的電機振動分析與處理。